Seite-16-D STZ-2-STZ-STZ-16-10-25-WISS-1-D STZ · 2016. 12. 21. · Bernhard Weigand wissen....

Professor Am Institut für Thermodynamik der Luft und Raumfahrt der Uni Stuttgart gehört der Blick in die Luft dazu. All die Dinge, die Bernhard Weigand als Direktor an seinem Institut erforscht, kann man auch für Flugzeuge oder Raketen nutzen. Ein Flugzeug beispielsweise kann abstürzen, wenn Eiskristalle sensible Teile der Maschine während eines Fluges lahmlegen. Doch nicht nur die Vereisung von Flugzeugen hat der 54jährige Ingenieur, der in Darmstadt studiert hat,

im Blick: Ganz grundsätzlich untersucht er die physikalischen Eigenschaften von Wasser. Tropfen für Tropfen wird von seinen

Mitarbeitern ganz genauunter die Lupe genom

men, fotografiert undam Computer berechnet und analysiert. Zur KinderUni wird der Wissenschaftler, der

zwei schon größereTöchter hat, einige sei

ner Experimentemitbringen –manch

eines lässt sich auch gefahrlos daheim nachmachen. Schließlich ist Wasser als Grundlage für die Experimente in jedem Haushalt vorhanden.

Expertin Nach oben in den Himmel geblickt hat Kathrin Schulte schon als Kind. Die verschiedenen Wolken faszinierten die Stuttgarter DiplomIngenieurin für Luft und Raumfahrttechnik ebenso wie Flugzeuge. Mit 13 Jahren saß sie zum ersten Mal in einem Segelflugzeug, der Pilotenschein folgte

kurz darauf. Doch nicht nur deshalb hat sie sich für das Studium der Luft und Raumfahrt entschieden: Naturwissenschaftliche Fä

cher wie etwa Physik undMathe haben sie schon

während der Schulzeitinteressiert. In ihrerDoktorarbeit, die kurzvor dem Ende steht,untersucht die 32

Jährige das Verhaltenvon Wassertropfen unter

extremen Umgebungsbedingungen in Wolken

analytisch und numerisch. vz

WISSENSCHAFTLER MIT EINER VORLIEBE FÜR DAS KÜHLE NASS

Vom Labor in den Hörsaal: Bevor es für die Nachwuchsstudenten mit der Vorlesung losgeht, haben einige Kinder Bernhard Weigand und sein Team an der Stuttgarter Uni besucht und mit Wassertropfen experimentiert. In der Vorlesung „Die Wunderwelt der Tropfen“ wird es ebenfalls um Wasser gehen – und um seine ungewöhnlichen Eigenschaften.

KinderUni

Pfütze Jungforscher zu Besuch an derUni: „Was passiert, wenn ein Tropfen ineine Pfütze fällt?“, fragt Anne Geppert von der Stuttgarter Uni die Kinder. „Esspritzt“, beobachtet die zehnjährige Pia.Stimmt: In der Vergrößerung auf demComputerbildschirm sieht man, wie derTropfen beim Aufprall eine Art Krone bildet, an deren Ränder winzige Tröpfchenabperlen. Beim zweiten Tropfen sieht dasschon anders aus. In der Pfütze schwappen noch die Wellen des ersten Tropfens,so dass der zweite weniger spektakulärohne richtige Krone landet (oben).

Eiskristall Auch das zweite Experimentist schön anzusehen: Stefano Ruberto vonder Uni Stuttgart zeigt, wie schnell sichbizarre Muster bilden, wenn man einen Eiskristall in sogenanntes unterkühltesWasser legt – Wasser, das eigentlich schon gefroren sein sollte, aber noch flüssig ist. „Es sieht aus, wie eine Eisflächeaus Federn“, meint der elfjährige Raphael. „Oder eine Palme“, fügt die gleichaltrige Luisa hinzu. „Je nach Temperaturgibt es ganz verschiedene Muster“, weiß Ruberto – aber man müsse darauf achten,nicht zu stark zu wackeln (ganz links).

Trinkvogel Und dann gab es für alle den beliebten Trinkvogel: Warum der bunteSchluckspecht immerzu trinken will, weißPia – und wird dies als Assistentin vonBernhard Weigand bei der KinderUni erklären ( links). Fotos: Lichtgut/Willikonsky (3), Uni Stuttgart (2)

KinderUniEin Angebot der Universitäten

Hohenheim und Stuttgart

L angsam aber sicher rückt der Winternäher. Dann musst Du ganz besonders aufpassen, wenn Du morgensaus dem Haus gehst. Denn wenn die Temperatur unter null Grad Celsius sinkt, gefriert Wasser zu Eis. Physiker sagen: Es wechseltseinen Aggregatzustand von flüssig nachfest. An den einzelnen Molekülen – das sinddie Bausteine des Wassers – ändert sich dabei nichts. Deshalb ist der Vorgang umkehrbar und beliebig oft wiederholbar: Wenn eswärmer wird, schmilzt Eis wieder zu Wasser, das erneut gefrieren kann. Und so weiter. Die NullGradGrenze zwischen Eis und flüssigem Wasser gilt übrigens nur fürreines Wasser. Wenn darin Salz gelöst ist,bildet sich erst weit unter null Grad Eis.Deshalb wird im Winter auf vielen Straßen Salz gestreut.

Neben fest und flüssig gibt es einen dritten Aggregatzustand, den man gasförmignennt. Ein Beispiel dafür ist der Dampf, derüber einem Topf mit kochendem Wasseraufsteigt. Wenn der Dampf – also das gasförmige Wasser – sich abkühlt, wird darauswieder flüssiges Wasser. Das siehst Du,wenn Du über den Topf einen kalten Löffelhältst, an dem sich schnell kleine Tröpfchen bilden. Diesen Vorgang nennt manKondensation. Manchmal entsteht ausWasserdampf auch direkt Eis, dass sichdann als Reif auf dem Boden niederschlägt.

Nicht nur Wasser, sondern auch andereStoffe kommen in fester, flüssiger und gasförmiger Form vor. Manche muss man allerdings sehr heiß machen, bevor sie flüssigwerden. So liegt die Schmelztemperaturvon Eisen bei 1535 Grad, erst bei 2750 Gradwird es gasförmig. Stickstoff, der wichtigsteBestandteil der Luft, ist dagegen bei nor

malen Temperaturen bereits ein Gas.Damit Stickstoffflüssig wird, mussman ihn auf minus196 Grad abkühlen.Das schafft selbstder härteste Winter nicht. lud

Physik Nicht nur Wasserkann in unterschiedlichen Zuständen auftreten.

Fest, flüssigoder gasförmig?

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Hallo! Ich bin Paul, der KinderChefreporter.

ANMELDUNG ZUR KINDERUNIVorlesung „Die Wunderwelt der Tropfen“ ist der Titel der Vorlesung bei der KinderUni. Am Freitag, dem 25. November 2016, um 16 Uhr im Hörsaal 47.01 auf dem Vaihinger Campus (Pfaffenwaldring 47) experimentiert der Ingenieur Bernhard Weigand vom Institut für Thermodynamik der Luft und Raumfahrt der Uni Stuttgart nicht nur mit Wasser.

Gewinn Die Uni Stuttgart verlost einige der Trinkvögel, so dass Du das Experiment daheim ausprobieren kannst. Wer gewinnen möchte, sollte einen Zettel mit seinem Namen mitbringen und in eine der Gewinnboxen werfen.

Anmeldung Du kannst Dich anmelden unter www.stuttgarterzeitung.de/kinderuni. Zwei Plätze können gebucht werden. Sind alle Plätze vergeben, wird der Account geschlossen. Wer einen Platz erhalten hat, bekommt per Mail eine Bestätigung und einen Link, unter dem die Eintrittskarte heruntergeladen werden kann. vz

Eis liegt in der Laborluft

W elche Prozesse laufen imInneren einer Wolke ab?Wie entstehen Hagelkörner? Was passiert beieinem Gewitter? DerWissenschaftler Bernhard Weigand und sein Team sind in ihren Forschungsarbeiten auf der Suche nach Antworten auf Fragen dieser Art. Weigand ist Leiter des Instituts für Thermodynamik der Luft undRaumfahrt an der Universität Stuttgart und ist fasziniert von allem, was mit Wasserzusammenhängt. Nicht zuletzt deshalb,weil es immer wieder überraschende Er

kenntnisse über dieses allgegenwärtigePhänomen gibt. Dahermöchte er auch dieNachwuchsstudentenauf eine Reise in die„Wunderwelt derTropfen“ mitnehmen.Zusammen mit seinerMitarbeiterin KathrinSchulte und Kinder

Assistenten aus dem Hörsaal kann er sicherlich viele Nachwuchsstudenten mitseiner Begeisterung anstecken. Dazu haben die beiden einige Experimente vorbereitet. Dabei darf ein besonders beliebtes Physikspielzeug nicht fehlen: der unersättliche vor sich hin wippende Trinkvogel.

In ihren Forschungsarbeiten an der Uniuntersuchen die Wissenschaftler sogenannte unterkühlte Tropfen, wenn sie zuEis werden. Unterkühlt bedeutet, dass dasWasser noch flüssig ist, obwohl die Temperatur weit unter dem normalen Gefrierpunkt von null Grad liegt. Derart unterkühlte Tropfen findet man in vielen Wol

kenarten, etwa in den typischen Gewitterwolken. In Wolken lösen meist Aerosole,wie beispielsweise Rußpartikel aus Flugzeugabgasen, den Gefrierprozess aus. Siewirken als Eiskeime, an denen sich dieWassermoleküle anlagern können – undsomit immer mehr Wasser gefriert. Im Labor lässt sich das Wasser noch weiter unterkühlen. Bis minus 38 Grad Celsius kann man noch Wassertropfen nachweisen.

Was genau in einem unterkühlten Tropfen passiert, wollen die Mitarbeiter von Bernhard Weigand wissen. „Dazu nehmenwir einen winzigen, etwa 50 Mikrometergroßen Tropfen – das ist etwa halb so dickwie ein menschliches Haar – und setzen ihnin einer kleinen Beobachtungskammer auf einen Laserstrahl. Durch den Lichtdruckdes Lasers wird der Tropfen in der Schwebegehalten“, erklärt Weigand. Die Größe und

die Temperatur des Tropfens könne mananhand des Streulichts, das der Tropfen abgibt, genau bestimmen. Anschließend reduziere man den Lichtdruck. Somit falleder Tropfen in der Kammer nach unten ineinen Bereich, der bis auf minus 30 bis minus 38 Grad gekühlt ist. „Der Tropfen gefriert, und es bildet sich ein Eiskristall, dersehr schnell wächst“, sagt Weigands Mitarbeiterin Kathrin Schulte.

Der Zeitpunkt des Gefrierens lässt sichauch aus dem Streulichtmuster ableiten.Diese Experimente und Simulationen amRechner helfen dabei, die physikalischenGrundlagen zu verstehen, wenn sich Eisund Schneekristalle oder Hagelkörner bilden. Die Modelle der Stuttgarter Forscherkönnten auch Meteorologen bei den Wettervorhersagen helfen. Zusammen mitWissenschaftlern aus anderen Fachgebieten, auch von anderen Universitäten,untersucht das Stuttgarter Team, wie sichTropfen in extremer Umgebung verhalten. Neben den sehr kalten Temperaturen zählen zu diesen extremen Umgebungsbedin

gungen beispielsweise auch starke elektrische Felder, hohe Temperaturen oder hoheDrücke. Diese Faktoren spielen bei vielen technischen Anwendungen eine Rolle, etwa der Verbrennung in Flugzeugtriebwerken oder Raketenantrieben.

Wichtig bei Flugzeugen sind auch dieunterkühlten Tropfen. „Die Tragflächeeines Flugzeuges ist so beschaffen, dass esden maximalen Auftrieb garantiert“, sagt Weigand. Dieser Auftrieb könne durch gefrorenes Wasser empfindlich gestört werden. „Im schlimmsten Fall kann ein Flugzeug abstürzen. Denn Eisablagerungenverändern die Form der Flügelprofile.“Dies führe zu einem größeren Widerstandund einer Verringerung des Auftriebs.

Den Aufprall unterkühlter Tropfen oderhalb durchgefrorener Tropfen, die man sich wie ein Sorbet vorstellen kann, untersucht ein Projekt an der TU Darmstadt.Diese Arbeiten könnten möglicherweisedazu beitragen, dass beim Fliegen wenigerTreibstoff gebraucht wird und die Sicherheit beim Fliegen erhöht wird.

Forschung Wissenschaftler sind fasziniert von Wassertropfen. Denn die verhalten sich oft nicht so, wie man es erwartet. Von Tanja Volz

„Der Lichtdruck des Lasers hält den Tropfen in der Schwebe.“Bernhard Weigand, Uni Stuttgart